Proton

Proton
Klassifikation
Elementarteilchen Fermion Hadron Baryon Nukleon
Eigenschaften
Quark Zusammensetzung 1 Down, 2 Up Ladung 1,602 176 462(63)·10-19 C = e Ruhemasse 1,007 276 466 88(13) u = 1,672 621 58(13)·10-27 kg = 1836,152 667 5(39) · me Ruheenergie 938,271 998(38) MeV = 1,503 277 31(12) ·10-10 J Durchmesser 1,5·10-15 m Compton-Wellenlänge 1,321 409 8555(88)·10-15 m magnetisches Moment ${\vec {\mu _{\rm {p}}}}$ 1,410 606 633(58)·10-26 J T-1  = 2,792 847 351 (28) ${\vec {\mu _{\rm {N}}}}$ g-Faktor 5,585 694 701 (56) gyromagnetisches Verhältnis 2,675 222 05(23)·108 s-1 T-1 Spin 1/2 Isospin 1/2 Isospin z-Komponente +1/2 Lebensdauer vermutlich stabil oder ca. 1031 Jahre

Das Proton ist ein langlebiges, elektrisch positiv geladenes Hadron mit dem Formelzeichen p.

Protonen bestehen aus zwei u-Quarks und einem d-Quark (Formel uud). Diese drei Valenzquarks werden von einem "See" aus Gluonen und Quark-Antiquark-Paaren umgeben. Das Proton ist, wie das Neutron, ein Baryon und bildet mit jenen die Bausteine der Atomkerne, die Nukleonen. Die Anzahl der Protonen im Atomkern bestimmt die Ordnungszahl eines Elements und legt dieses somit fest.

Historie

Das Proton wurde von Ernest Rutherford 1919 entdeckt.

Eigenschaften

Das Proton unterliegt folgenden Grundkräften der Physik:

• Starke Wechselwirkung
• Schwache Wechselwirkung
• Elektromagnetische Wechselwirkung
• Gravitation

Momentan ist noch nicht klar, ob das Proton stabil ist, da die Große Vereinheitlichte Theorie eine Halbwertszeit von 10³¹ Jahren vorhersagt, jedenfalls ist es das einzige langlebige Hadron. Experimente am Kamiokande lassen auf eine Halbwertzeit von mindestens 10³² Jahren schließen (siehe auch Protonenzerfall). Das Protonenzerfall ist für die Physik von besonderer Bedeutung, dass er einen der wenigen Test der Großen Vereinheitlichten Theorie darstellt, der ohne enormen Energieaufwand stattfindet. Das magnetische Moment läßt sich über das Quarkmodell berechnen und sollte ${\vec {\mu _{\rm {p}}}}={\frac {4}{3}}{\vec {\mu _{\rm {u}}}}-{\frac {1}{3}}{\vec {\mu _{\rm {d}}}}=+2.79{\vec {\mu _{\rm {n}}}}$ betragen, was gut mit den gemessen Werten übereinstimmt.

Protonen können aus dem Zerfall von Neutronen entstehen:

$\mathrm {n} \rightarrow \mathrm {p} +\mathrm {e} ^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+0,78\,\mathrm {MeV}$

Das Antimaterie-Teilchen (Antiteilchen) zum Proton ist das Antiproton, welches 1955 erstmals künstliche erzeugt wurde. Es hat dieselbe Masse wie das Proton, besitzt aber eine negative Ladung.

Protonen als Bestandteile von Atomkernen

Der Atomkern fast aller Nuklide besteht aus Protonen und Neutronen. Die Ausnahme ist das am häufigsten auftretende Wasserstoffisotop, dessen Atomkern nur aus einem einzelnen Proton besteht. Diese Protonenzahl gibt die Anzahl der im Kern enthaltenen Protonen an. Atome mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl werden Isotope genannt und haben nahezu identische chemische Eigenschaften.

Die Protonen im Atomkern tragen zur atomaren Gesamtmasse bei. Die starke Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen ist für den Erhalt und die Stabilität des Atomkernes verantwortlich. Während die positiv geladenen Protonen untereinander sowohl anziehende (Starke Wechselwirkung) als auch abstoßende Kräfte (Elektromagnetische Wechselwirkung) erfahren, tritt zwischen Neutronen untereinander und zwischen Neutronen und Protonen keine elektrostatische Abstoßung auf.

Das fiktive Isotop des Heliums Diproton, dessen Kern lediglich aus zwei Protonen bestehen würde, verdankt seine Nichtexistenz wahrscheinlich der gegenseitigen Anziehung der Protonen, da die starke Kernkraft in diesem Fall nicht ausreicht, um die abstoßende elektrostatische Kraft zwischen den beiden Protonen zu kompensieren. Erst mit einem weiteren Neutron im Kern erhält man das stabile ³He. Die Neutronen sind offenbar notwendig, um als „Kitt“ den Atomkern zusammenzuhalten.

Über den Kernphotoeffekt können Protonen durch hochenergetische Photonen aus dem Kern gelöst werden.

Protonen Streuung

Es werden Steuexperimente mit Protonen an anderen Nukleonen durchgeführt um die Eigenschaften der Nukleon-Nukleon-Wechselwirkungen zu erforschen. Bei der Streuung an Neutronen ist die starke Wechselwirkung die dominierende Kraft, die magnetische Wechselwirkung ist völlig vernachlässigbar. Streut man Protonen an Protonen so muss zusätzlich die Coulomb-Kraft berücksichtigt werden. Die Kernkräfte hängen zudem noch vom Spin ab. Ein Ergebnis dieser Untersuchungen und dem Vergleich p-p Streuung und n-n Streuung ist dass die Kernkräfte unabhängig vom Ladungszustand der Nukleonen ist. Dies Coulombkraft bei der p-p Streuung wird hierbei vom Streuquerschnitt abgezogen um nur die Wirkung der Kernkräfte zu vergleichen. Mit elastischen oder quasielastischen Streuungen von Elektronen an Protonen läßt sich dessen Formfaktor bestimmen.

Weitere Reaktionen des Protons

• Proton-Proton-Reaktionen sind einer von zwei Fusionsreaktionen beim Wasserstoffbrennen.

• Bei einer Protonenanlagerung überwindet ein schnelles Proton die Abstoßung durch die Coulombkraft und wird ein Bestandteil des Kerns. Bei sehr hohen Temperaturen wird dies als P-Prozess bezeichnet.

Forschung

Das Proton ist noch immer Gegenstand der physikalischen Forschung, u.a. den Anlage Super Proton Synchrotron (SPS), [Large Hadron Collider]](LHC) und der Large Electron-Positron Collider (LEP; Großer Elektron-Positron-Speicherring) des CERNs, dem Tevatron im Fermilab oder dem DES (Deutsches Elektronen-Synchrotron).

Siehe auch

• Zur Bedeutung des Protons in der Chemie beim Säurebegriff nach Brønsted und Lowry siehe Proton (Chemie)

Quellen

• W. Demtröder: Experimentalphysik. 2. Auflage. Springer, 2005, ISBN 3-540-21451-8
• Donald H. Perkins, Introduction to high energy physics
• Tabellenwerte vom CODATA/NIST

Weblinks

• www.wissenschaft.de: Das seltsame Innenleben des Protons Das Proton hat sehr viel mehr Strange-Quark-Anteile als bisher angenommen
• www.wissenschaft.de: Wankelmütige Naturkonstante. Forscher: Protonen und Elektronen doch nicht konstant?

Wiktionary: Proton – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen